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Sensore capacitivo: apparecchi e funzionamento. sensori capacitivi: applicazione

L'industria moderna, e di tutti i giorni le attività umane umane, troppo, è impossibile immaginare senza tutti i tipi di dispositivi elettronici. Essi ci aiutano in ogni modo, e un po 'le operazioni di produzione da eseguire non avere successo senza di loro. Per questi "aiutanti" dovrebbe comprendere anche un sensore capacitivo.


I cosiddetti convertitori fatte da tipo parametrico. Misurazione di un volume tali dispositivi viene eseguita attraverso variazioni di capacità durante la modifica di alcuni parametri importanti. In poche parole, la variazione stimata capacità sotto l'influenza di alcuni fattori esterni.

Il principio di funzionamento del sensore capacitivo

Questo è ciò che i sensori capacitivi. Il principio di funzionamento non sono così difficili, ma per capire che è necessario conoscere qualcosa. Per cominciare ricordiamo il principio della determinazione della capacità del condensatore. Questa azione è espresso dalla seguente formula:

C = εεₒS / δ.

Questa espressione è noto a molti dal corso di fisica della scuola, ma non sarebbe male per rinfrescare la memoria e il richiamo, il che significa che ciascuna delle variabili:

  • S – zona delle piastre del condensatore.
  • E – permettività relativa del materiale dielettrico utilizzato nella progettazione condensatore.
  • εₒ – come in fisica per indicare permittività di spazio libero.
  • δ – in modo che possa essere designato o lo spessore della piastra dielettrica, o la distanza tra i diversi strati di materiale.

Così, dalla formula sopra che la capacità facilmente cambiare. Basti qualche modo agire sulla superficie della lastra di materiale dielettrico, una distanza tra le piastre o direttamente con la permeabilità utilizzato nella fabbricazione del materiale. Di conseguenza, la selezione di particolare valore dipende unicamente dalla lista di compiti che sono fissati i dispositivi progettisti.

Così, si può anche fare un sensore capacitivo con le mani, come un punto di vista costruttivo è – il solito condensatore piane o cilindriche, una piastra di che viene costantemente sperimentando un movimento controllato nello spazio, che porta ad una variazione di capacità. Va ricordato che la formula di cui sopra è valida solo se si è completamente trascurare effetti di bordo. Parleremo più su questo nella sezione finale di questo articolo.

Dovrebbe essere noto che tali apparecchi elettronici sono ampiamente utilizzati per misurare gli spostamenti angolari e lineari degli oggetti, il dimensionamento, il lavoro richiesto, l'umidità, la concentrazione di sostanza attiva e altre caratteristiche. Per quanto riguarda gli aspetti strutturali della domanda, allora detto balle vengono realizzati a piani paralleli, in alloggiamenti cilindrici con elettrodi pin, con un rivestimento di un materiale dielettrico, e anche senza.

Ecco come far funzionare sensori capacitivi. Il principio di funzionamento di alcuni di essi hanno bisogno di conoscere nei minimi dettagli. In questo articolo diamo alcune formule che possono essere utili per voi.

Formula per descrivere il principio di funzionamento di alcuni tipi di sensori

sensore di livello con possibile variazione del quadrato piastre dielettriche possono essere abbastanza facilmente descritta utilizzando la seguente equazione:

C = εεₒaH / δ.

Da "X" in questo caso si riferisce alla lunghezza della sovrapposizione di elettrodi utilizzati. Di conseguenza, "a" indica la larghezza delle piastre del condensatore. Va notato che tali dispositivi sono stati applicati in vari campi dell'industria, in cui sono utilizzati per la misurazione accurata di valori angolari. capacità del trasduttore in questo caso si trova dalla seguente espressione:

C = εεₒ (r₂- R) / 2δ * (φₒ-φ).

Al fine di misurare con precisione la sensibilità, è necessario utilizzare una formula leggermente diversa:

K = εεₒ (R r₂-) / 2δ.

Vediamo cosa si intende per quelle variabili che fanno parte di queste equazioni:

  • R – raggio interno delle piastre del condensatore;
  • RZ – raggio esterno della stessa piastra;
  • φ – misurata momentaneamente valore (reale) dell'angolo di sovrapposizione;
  • φₒ – il valore iniziale del angolo di sovrapposizione.

Infine, si spiega l'espressione matematica che descrive il principio di funzionamento del misuratore capacitivo con traferro regolabile:

C = εεₒS / (δₒ-X).

Prevedibilmente, pallone primario δₒ inteso, la lettera X sono la stessa quantità di spostamento della piastra. Fate attenzione! Poiché caratteristiche statiche non sono strettamente lineare, tipicamente il sensore di livello del tipo utilizzato per misurare molto piccoli spostamenti, che non supererà il 0,1δₒ quantità. Naturalmente, questi dispositivi sono molto richiesti nella meccanica di precisione, dove anche piccoli errori possono causare abbastanza seri problemi.

Dove possono essere utilizzati?

Le aree di possibile applicazione sono estremamente diverse. Così, in quasi tutte le industrie possono incontrare l'operazione, che sono controllati da questi dispositivi. Essi sono utilizzati per controllare il riempimento dei vari serbatoi, e il loro contenuto può essere (sensore di gas) liquido, gassoso o in particelle.

La prevalenza di attività industriale umana industriale e normale è più alto, più affidabile e più facile da progettare tali dispositivi. Dalla combinazione di questi sintomi, sono così buone che possono essere utilizzati anche in condizioni estremamente aggressive stive delle petroliere.

Inoltre, il sensore capacitivo può essere utilizzato come finecorsa in linea di trasporto o macchina officina di produzione. È necessario e per il posizionamento più preciso dei vari meccanismi.

sensori di prossimità

Ma ora in grande richiesta sensori di prossimità, che sono fatti di esattamente lo stesso principio. La gamma del loro utilizzo è ancora più ampio. Ciò è dovuto ai dispositivi di costo centesimo che possono lavorare in quasi tutti i tipi di industrie. Tuttavia, ci sono l'industria tipica in cui questo tipo di apparecchiature sono i più popolari:

  • Controllo dei contenitori trasparenti ripiene di liquido di plastica o vetro.
  • Una funzione simile viene eseguita da essi nella fabbricazione di prodotti alimentari (compresi i bambini), dove il prodotto finito viene confezionato in contenitori di materiali trasparenti. Sullo stesso principio base e il lavoro della balla come sensore capacitivo combustibile.
  • Per il monitoraggio zone pericolose, ove possibile filo rotto avvolgimento.
  • Controllare posti simili in cui il nastro trasportatore vettore potrebbe essere danneggiato.
  • controllare individualmente il tipo di prodotti fabbricati (conversione di lattine, bottiglie, imballaggi).

Non sorprendentemente, questi dispositivi elettronici sono i più comuni nella meccanica di precisione, generazione di energia e molti altri settori vari sensori.

inclinometri

Dispositivi che sono diventati diffusi solo in anni relativamente recenti sono di piccole dimensioni inclinometro capacitivo fornire segnale di uscita elettrico trasmissione la cui grandezza è direttamente proporzionale al sensore angolo utilizzato.

Il principale campo più comune di utilizzo di questi dispositivi: sistema piattaforma allineamento, determinazione della deflessione e la deformazione di vari tipi di travi di supporto tecnico, così come il controllo preciso della strada, ferrovia deviazione pista nella fase della loro costruzione.

Inoltre, utilizzando tali dispositivi determinano il rotolo di autocarri pesanti e altri veicoli, elevatori ed escavatori industriali e accertare il grado di spostamento angolare per macchine agricole e industriali particolarmente grandi.

Molto importante capacitivi livello del carburante sensori nell'industria petrolifera. Essi sono utilizzati anche nelle superpetroliere che portano in una decine di viaggio e centinaia di migliaia di tonnellate di prodotti petroliferi raffinati. Questi dispositivi sono estremamente efficaci anche in formazione molto abbondante di condensa e un alto grado di zona di produzione della polvere (lo stesso sensore di gas).

Trovano il loro impiego nei valori di misura dei livelli di pressione assoluta e relativa, nonché lo spessore del materiale dielettrico, che è estremamente importante in quasi tutti i settori in cui vengono usati i condensatori veramente potenti.

I principali vantaggi dei sensori capacitivi

Va notato che il sensore capacitivo ha molti vantaggi rispetto ai dispositivi simili che si formano sul alquanto differenti principi. Facciamo elencare i principali vantaggi di questi Kip:

  • Nella produzione, sono estremamente semplici. Inoltre, i materiali più semplici ed economici possono essere utilizzati nella loro produzione. Anche sensori di livello carburante capacitivi utilizzati nell'industria petrolifera importanti scopi avere dimensioni estremamente modeste ha il livello più basso possibile di consumo di energia elettrica. Con tutte queste caratteristiche, essi differiscono ottimo livello di sensibilità, che è spesso irraggiungibile per i dispositivi più costosi.
  • In linea di principio, può essere un sensore capacitivo con le mani, utilizzando come base qualsiasi condensatore industriale più o meno affidabili e di alta qualità.
  • I contatti hanno (molto raramente usato un collettore di corrente), che è estremamente vantaggioso per il lavoro in condizioni di elevata polvere ed umidità.
  • estremamente lunga vita di servizio, l'unità riesce più volte a "riconquistare" il loro basso costo. Di conseguenza, il sensore capacitivo (il cui prezzo è nell'intervallo 1200-1700 rubli) è l'acquisizione estremamente vantaggioso.
  • Per muovere la porzione mobile del dispositivo è necessario per rendere sorprendentemente poco sforzo.
  • Il dispositivo è molto facile da combinare con quasi tutte le categorie di apparecchiature che viene utilizzato solo in attività industriali.

aspetti negativi

Purtroppo, ogni sensore capacitivo presenta alcuni inconvenienti, che in una certa misura complicano la diffusione di questo tipo di apparecchiature. Noi li elenchiamo in modo più dettagliato:

  • fattore di conversione (cioè trasmissione) è relativamente bassa.
  • Piccole dimensioni e la semplicità del design contribuiscono al fatto che il nominato abbastanza elevati requisiti di qualità dei dispositivi di screening.
  • Buona sensore capacitivo di livello (e altri strumenti di misura simili) possono operare in modo efficace solo ad una frequenza molto superiore al valore standard di 50 Hz.

Annunci importanti

Tuttavia, non tutto è così male. Molti produttori cercano ottime caratteristiche di schermatura dei sensori facendo piccoli cambiamenti nella loro struttura. Per quanto riguarda la frequenza di utilizzo, in pratica essi mostrano eccellenti risultati in diffusa valore industriale di 400 Hz.

Abbiamo già parlato di lealtà verso la formula di base solo se ignorando l'effetto bordo. Ma è utile sapere che si può davvero avere un effetto negativo solo nel caso in cui la distanza tra le piastre dielettriche è paragonabile alla loro dimensione. Inoltre, l'effetto negativo può essere in gran parte neutralizzare semplicemente utilizzando l'anello di guardia. In questo caso, l'impatto degli effetti di frontiera non può trasferire ben oltre i piatti usati.

Ancora una volta, si nota che gli stessi sensori di pressione sono caratterizzati da una notevole semplicità, che consente di creare una struttura meravigliosamente stabile, durevole ed economica. Se si sceglie le dimensioni geometriche sinistra usate dielettrico viene utilizzato nella produzione di un tale condensatore materiali non possono particolarmente preoccupati.

Così, prendendo correttamente il timbro metallico per la fabbricazione della custodia del sensore, è praticamente trascurabile anche forti escursioni termiche che potrebbero causare una variazione di capacità del dispositivo e le sue letture inadeguate. Naturalmente, ciò non elimina la necessità di eseguire sensori di pressione isolato approfonditi ed altri tali indicatori di fattori ambientali aggressive. Nonostante la loro semplicità, alta umidità e livelli elevati di radiazioni possono influenzare negativamente l'affidabilità del dispositivo.

classificazione dei sensori

Utilizzato in processi industriali per la loro produzione permettono di condividere tutti i tipi di sensori prodotti in due grandi gruppi: odnoemkostnye e dvuhemkostnye. Il secondo tipo è diviso in differenziale e poludifferentsialnye. Diamo li consideriamo più in dettaglio.

dispositivo Odnoemkostny. In questo caso il circuito sensore capacitivo estremamente semplice, in quanto la loro parte principale è il condensatore più comune con capacità variabile. Purtroppo, anche un leggero aumento di umidità e temperatura hanno sulla precisione delle indicazioni impatto molto tangibile. A causa di questo, ci sono vari sensori spesso malfunzionamento. Per neutralizzare la grandezza di tali errori, è necessario utilizzare la struttura differenziata.

sensore Dvuhemkostny. In realtà, è solo una struttura così differenziata. Spesso è possibile soddisfare il sensore capacitivo di livello è costituito da un tale sistema. Questi dispositivi sono consegnati dalle principali inconvenienti del modello precedente, ma hanno i loro punti deboli. Lo svantaggio più importante è la necessità di utilizzare due o tre fili schermati tra il dispositivo stesso e la superficie, perché solo in questo modo può sopprimere la cosiddetta capacità parassita.

Tuttavia, uno schema abbastanza sofisticato di sensori capacitivi in questo caso è facile da ignorare, perché in cambio si ottiene un dispositivo estremamente preciso e sensibile.

sensori costruire Specificità

In molti casi (dal punto di vista progettuale) la creazione di tali dispositivi è problematica. Ciò è particolarmente vero quando si desidera creare un sensore con livelli variabili di capacità. Tuttavia, l'esperienza dimostra che molti dei problemi sono risolti quasi completamente calibrazione accurata e materiali ad elevate prestazioni utilizzati nella produzione. Molto spesso queste difficoltà incontrate dai produttori dvuhemkostnyh sensori.

In generale, la specificità di questo tipo di dispositivi di misurazione è che possono essere rappresentati come rapporto adimensionale di due grandezze fisiche (contenitori) che hanno una precisa espressione fisica e significato. In modo che possano essere chiamati in modo sicuro "sonde del rapporto." Il vantaggio di questi dispositivi (loro vantaggio enorme!) È che generalmente non possono avere nel suo design alcune misure standard che raffreddano migliora l'affidabilità in situazioni e condizioni davvero estreme.

Caratterizzazione dei sistemi di misura lineari

Tutti i valori non elettrici, che è spesso richiesto da controllare in un ambiente industriale, è estremamente vario e multiforme. Una parte significativa delle misure che sono soggette a controlli severi, compiere movimenti angolari e lineari anche diversi tipi di superfici nello spazio. Se si utilizza un condensatore che ha campo elettrico assolutamente uniforme nello spazio, non è così difficile fare due sensori elettronici dei seguenti tipi:

  • In quale area degli elettrodi è variabile.
  • Coloro che hanno un gap variabile tra gli elettrodi.

È facile comprendere che il primo tipo è più adatto per il fissaggio del davvero grande movimento, mentre si utilizza la seconda varietà può notare anche qualche movimento del corpo nello spazio, il cui valore è pari a pochi micron!

Sensori per determinare lo spostamento angolare

In generale, per la progettazione e lo scopo che quasi completamente identico al tipo di contatto precedente. Somiglianza si manifesta nel fatto che i sensori sono elettrodi di superficie variabile deve essere utilizzata anche per le dimensioni più grandi e con una distanza variabile tra gli elettrodi stessi – piccole. Tipicamente, tali dispositivi sono realizzati multiplo, con la possibilità di cambiare la zona delle piastre del condensatore.

Per raggiungere questo obiettivo, un primo elettrodo fissato all'albero mobile in rotazione che cambia la sua posizione rispetto alla seconda zona di cambio che fornisce la sovrapposizione delle piastre dielettriche del condensatore. Naturalmente, quando si registra una variazione di capacità.

risultati

Così abbiamo discusso le caratteristiche di base del livello dello strumento, imparato a conoscere i loro ambiti di applicazione, sulle caratteristiche di design, il principio di azione e le possibili soluzioni tecniche. Come si può capire da questo articolo, la prevalenza di sensori capacitivi e la loro altissima popolarità si basa sul prezzo molto attraente di tali dispositivi e una lunga durata anche in condizioni ambientali difficili.

Tutto questo è possibile grazie al fatto che, da un punto di vista costruttivo, tutti questi misuratori sono solo condensatori standard, che sono caratterizzati da un modo alquanto insolito della loro applicazione. Tuttavia, è possibile e scoprire da soli, ancora una volta a guardare le formule matematiche che riflettono ampiamente i principi kip lavoro.